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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenmuldenausführung und ein Kraftstoffeinspritzventilstrahlbild für fremdgezündete Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung.
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2. Stand der Technik
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Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer eines GDI-Verbrennungsmotors (GDI – gasoline direct injection/Benzin-Direkteinspritzung) kann Kraftstoff sparen, Emissionen reduzieren und das Drehmoment/die Energie im Vergleich zu herkömmlichen PFI-Motoren (PFI – port fuel injection/Einlasskanaleinspritzung) erhöhen. Kraftstoff wird direkt in die Brennkammer gespritzt, wo er verdampft und sich mit Luft vermischt, und wird später durch eine Zündkerze gezündet. Der Hauptkraftstoffsparmechanismus für GDI mit homogener Ladung ist Ladungskühlung von dem Kraftstoffverdampfungsprozess, die ein größeres Verdichtungsverhältnis für einen effizienteren Motorbetrieb gestattet. Ladungskühlung ist auch für das erhöhte Drehmomentpotential von GDI-Motoren über einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad bei Volllast verantwortlich. In den Motor gesaugte Luft ist aufgrund der Ladungskühlung dichter, wodurch gestattet wird, dass mehr Luft angesaugt und mehr Energie erzeugt wird. Im Vergleich zu PFI-Motoren sind aufgrund von Schichtladungsverbrennung unter Verwendung von Mehrfacheinspritzung bei Kaltstart, ein Betriebszustand, der einen großen Anteil von Emissionen beiträgt, reduzierte Emissionen von GDI-Motoren möglich.
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Mehrfacheinspritzung erzeugt geringere Emissionen beim Anlassen durch Minimierung der eingespritzten Kraftstoffmasse und Reduzierung von Flüssigtreibstoffoberflächenbenetzung. Des Weiteren ermöglicht sie ein schnelleres Anspringen des Katalysators durch Hitzefluss-Spätzündung.
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GDI-Motoren können unter einer schlechteren Kraftstoff-Luft-Vermischung im Vergleich zu PFI-Motoren leiden. Das Vermischen in GDI-Motoren wird durch das Zusammenwirken des Kraftstoffnebels mit dem turbulenten Luftstrom im Zylinder gesteuert. Deshalb hängt das Vermischen von Zeit, der räumlichen Verteilung des Kraftstoffnebels und den Ladungsbewegungseigenschaften im Zylinder ab. Um den Kraftstoff durch die Brennkammer gleichmäßig zu verteilen, ist das Zusammenwirken zwischen dem räumlichen gezielten Ausrichten des Kraftstoffstrahls/der Kraftstoffstrahlen und der Luftbewegung optimiert. Des Weiteren ist die Zeit zum Vermischen während des Einlasshubs maximiert. Wenn Kraftstoff zu spät während des Einlasshubs eingespritzt wird und/oder der Kraftstoff durch das gezielte Ausrichten des Kraftstoffeinspritzventilstrahlbilds nicht ausreichend dispergiert wird, steht nicht genügend Zeit zur Verdampfung und zur vollständigen Vermischung zur Verfügung. Dies führt zu mageren und fetten Bereichen. Verbrennung der fetten Zonen führt zu einer unvollständigen Verbrennung, wie durch erhöhte CO-Emissionen und unvollständige Nutzung des Sauerstoffs im Ladungsgemisch angezeigt, und somit zu einem geringeren Verbrennungswirkungsgrad, was zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Wenn Kraftstoffeinspritzung andererseits zu früh eingeleitet wird, trifft Kraftstoff auf den Kolben, wodurch ein Flüssigkeitsfilm erzeugt wird, der den Mischprozess überleben und Rußemissionen erzeugen kann. Allgemein ausgedrückt weist der GDI-Motor einen Ruß/Mischungs-Kompromiss auf, mit Erzeugung von unerwünschter Rußemission, wenn ein früher SOI (start of injection/Spritzbeginn) verwendet wird, und nicht optimalem Kraftstoffwirkungsgrad bei späteren SOIs.
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In der Regel wird ein Teil des Kraftstoffs während des späten Verdichtungshubs eingespritzt, um eine fette Zone in der Nähe der Zündkerze bereitzustellen und so Kaltstart zu unterstützen. Ein Einspritzventilstrahlbild und ein Verbrennungssystem, das allein für Teillastmischung optimiert ist, liefert nicht zwangsweise die erwünschte fette Kraftstoffwolke in der Nähe der Zündkerze zum Zündzeitpunkt für eine stabile Verbrennung unter Kaltstartbedingungen.
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Es besteht eine Herausforderung in der Auslegung eines Strahlbilds/einer Brennkammerform, das bzw. die eine gute Vermischung erzeugt, um Rußemission zu reduzieren und einen guten thermischen Wirkungsgrad bei Teillast bereitzustellen, während auch die Bildung einer Schichtmischung bei Kaltstart mit einer fetten Zone an der Zündkerze gestattet wird. Bei einigen Verbrennungssystemen wird eine tiefe Mulde mit komplizierter Geometrie im Kolbenkopf vorgesehen, um den fetten Kraftstoff im Bereich in der Nähe der Zündkerze teilweise aufzunehmen und so eine fette Zone für Kaltstartrobustheit zu fördern.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Verbrennungssystem weist einen Zylinderkopf mit zwei Einlassventilen und mindestens einem Auslassventil, eine mit dem Zylinderkopf verbundene Zylinderbohrung, eine im Wesentlichen mittig im Zylinderkopf angebrachte Zündkerze, ein am Umfang im Zylinderkopf außerhalb der beiden Einlassventile und bezüglich der Einlassventile symmetrisch angebrachtes Kraftstoffeinspritzventil und einen Kolben in der Zylinderbohrung auf. Ein Kopf des Kolbens weist eine kugelförmige Kuppel mit einer in der Kuppel definierten kugelförmigen Mulde auf. Die Mulde befindet sich allgemein unterhalb der Einlassventile. Ein Durchmesser der Mulde liegt im Wesentlichen in einer diametralen Ebene, die durch eine Spitze der Zündkerze, eine Spitze des Einspritzventils und eine mittlere Achse des Kolbens definiert wird.
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Die Mulde wird unter Verwendung eines Kugelschneidwerkzeugs mit einem Durchmesser zwischen dem 0,75-Fachen und 1,0-Fachen eines Durchmessers des Kolbens maschinell hergestellt. Der Muldendurchmesser beträgt weniger als die Hälfte des Kolbendurchmessers, und die Mulde ist so positioniert, dass kein Teil der Mulde unter dem Auslassventil liegt. Eine Stelle an der Mulde, die von dem Kraftstoffeinspritzventil am weitesten weg liegt, befindet sich ungefähr unterhalb der Zündkerze. Oder die Zündkerze weist bei einer alternativen Konfiguration eine Längsachse auf, und eine Stelle an der Mulde, die von dem Kraftstoffeinspritzventil am weitesten weg liegt, befindet sich innerhalb von 5 mm der Längsachse.
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Eine Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils bildet einen Winkel mit einer mittleren Achse der Zylinderbohrung von mindestens 60 Grad. Als Alternative dazu ist der zwischen der mittleren Achse der Zylinderbohrung und der Kraftstoffeinspritzventilachse gebildete Winkel größer als ein zwischen der Kraftstoffeinspritzventilachse und einer senkrecht zur mittleren Achse der Zylinderbohrung verlaufenden horizontalen Ebene gebildeter Winkel. Das Kraftstoffeinspritzventil weist sechs Öffnungen auf, wobei zwei der Öffnungen zur Kolbenmulde gerichtet sind und auf beiden Seiten der diametralen Ebene versetzt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil ist zwischen den beiden zur Kolbenmulde gerichteten Öffnungen abgedichtet, was bedeutet, dass sich zwischen den beiden Öffnungen, die bezüglich der diametralen Ebene versetzt sind, keine Öffnung befindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen kuppelförmigen Kolbenkopfteil mit einer flachen Kolbenmulde und andere in der Kuppeloberseite ausgebildete Merkmale;
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2 ist ein Querschnitt einer Brennkammer mit einem Kolben von 1;
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3 ist eine isometrische Ansicht eines Verbrennungssystems, die die Verteilung von sechs Kraftstoffeinspritzventilstrahlen aus dem Kraftstoffeinspritzventil darstellt; und
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4 ist ein Diagramm der Kraftstoffeinspritzventilstrahlzielorte nach 50 mm Weg von der Einspritzventilspitze.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Für den Durchschnittsfachmann ist offensichtlich, dass verschiedene Merkmale der unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt werden, um alternative Ausführungsformen zu erzeugen, die möglicherweise nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen liefern Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen. Es können jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein. Die in den Darstellungen verwendeten Ausführungsbeispiele betreffen allgemein einen fremdgezündeten Viertakt-Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung mit einer Reihenkonfiguration. Für den Durchschnittsfachmann sind ähnliche Anwendungen oder Implementierungen mit zum Beispiel anderen Motor-/Fahrzeugtechnologien und Konfigurationen, die Reihenkonfigurationen einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind, ersichtlich.
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1 ist eine isometrische Zeichnung eines Teils eines Kolbens, das heißt eines Kopfes eines Kolbens 10 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Der Kolben 10 ist so maschinell hergestellt oder gegossen, dass er eine Kuppel 12 aufweist, die geometrisch als ein abgetrennter Teil einer Kugel durch Schnittpunkt mit einer Ebene beschrieben wird. Die Kuppel ist symmetrisch am Kolbenkopf angeordnet, so dass eine Mitte der Kuppel ungefähr mit einer Längsachse des Kolbens 10 zusammenfällt. Eine symmetrische Kuppel vereinfacht die maschinelle Bearbeitung im Vergleich zu einer versetzten Anordnung.
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In der Kuppel 12 sind maschinelle Merkmale herausgearbeitet, darunter: eine flache Mulde 14, Aussparungen 15 zur Aufnahme von Einlassventilen, Aussparungen 16 zur Aufnahme von Auslassventilen, ein Quetschbereich 17 nahe der Einlassventile, ein Quetschbereich 18 nahe der Auslassventile und eine Aussparung 19 zur Aufnahme von Zündkerzenelektroden. Die Aussparungen 15 und 16 sind so vorgesehen, dass Einlass- und Auslassventile einen festgelegten Mindestabstand zur Kolbenkuppel an ihrer Grenzverstellung mit der Motorkurbelwellenposition haben. Zum Beispiel weisen die Einlassventile einen Abstand auf, wenn sie innerhalb des Vermögens der Ventiltriebverstellung vollständig frühverstellt sind, so dass die Einlassventilöffnung vor dem oberen Totpunkt (TDC – top dead center) des Kolbens erfolgt. Ebenso weisen die Auslassventile einen Abstand auf, wenn sie innerhalb des Vermögens der Ventiltriebverstellung vollständig spätverstellt sind, so dass Auslassventilschließung hinter dem oberen Totpunkt (TDC) des Kolbens erfolgt. Alle anderen Zeiteinstellungen über diese Einlassfrühverstellung und Auslassspätverstellung hinaus lockern diesen Abstand. Eine Untergruppe der Ventiltrieb- und Kolbenaussparungsausführung wird gemeinhin als Freilauf bezeichnet und kann auch enthalten sein. Das heißt, der Kolben 10 bewegt sich in einer Zylinderbohrung hin und her. Die Einlass- und Auslassventile gehen auch hin und her, wobei die Zeitsteuerung der Ventilöffnungs- und -schließereignisse durch einen Steuerriemen oder eine Steuerkette mit der Kolbenbewegung in Beziehung stehen. Bei ordnungsgemäßer Zeitsteuerung stoßen die Ventile und der Kolben nicht zusammen. Wenn der Steuerriemen jedoch rutscht oder bricht, prallen die Ventile und der Kolben potentiell aneinander, wodurch der Motor ruiniert werden kann. Um solch eine Situation zu vermeiden, sind im Kolbenkopf 10 Aussparungen oder so genannte Augenbrauen vorgesehen, so dass zwischen dem Kolben in seiner oberen Totpunktstellung und in ihrer geöffneten Stellung feststeckenden Ventilen ein kleiner Abstand besteht.
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Der Zylinderkopf wird in 1 nicht gezeigt. Jedoch sind am Zylinderkopf gemeinhin Merkmale vorgesehen, die einen kleinen Spalt mit Quetschbereichen 17 und 18 enthalten, wenn sich der Kolben 10 in seiner oberen Totpunktstellung befindet. Gase nahe den Quetschbereichen werden in das Hauptbrennkammervolumen gedrückt, wenn sich der Kolben zum oberen Totpunkt bewegt, wodurch Turbulenzen in der Brennkammer gefördert werden. Weiterhin wird in 1 die Beziehung zwischen der Zündkerzenspitze und dem Kolben 10 nicht gezeigt. Um die in die Brennkammer reichende Zündkerzenspitze aufzunehmen, ist die Aussparung 19 vorgesehen. Es kann für die Zündkerzenelektroden, das heißt die Stelle, an der der Flammenkern eingeleitet wird, von Vorteil sein, wenn sie von dem Zylinderkopf weg in einem Bereich positioniert sind, in dem mehr Fluidbewegung besteht. Zur Erleichterung eines hohen Verdichtungsverhältnisses bewegt sich der Kolben am oberen Totpunkt jedoch sehr nahe am Zylinderkopf. Die Aussparung 19 stellt einen Raum für die Zündkerzenelektroden bereit, um eine Störung mit dem Kolben 10 zu vermeiden.
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Die Mulde 14 wird durch ein Kugelschneidwerkzeug in der Kuppel 12 ausgebildet. Die sich ergebende Aussparung ist kuppelförmig, das heißt eine von der konvexen Kuppel 12 entfernte konkave, kuppelförmige Mulde. Eine Grenzfläche zwischen der Mulde 14 und der Kuppel 12 ist allgemein kreisförmig. Bei einer Ausführungsform weist der Kolben einen Durchmesser von ca. 90 mm auf, weist das Kugelschneidwerkzeug einen Durchmesser von ca. 80 mm auf und weist die Muldenabmessung, die durch den Schnittpunkt der Mulden- und kugelförmigen Kuppelabmessungen definiert wird, ca. 40 mm auf. Auf Grundlage dieser Abmessungen beträgt die sich ergebende Muldentiefe bezüglich der kreisförmigen Grenzfläche ca. 5 mm, was bedeutend flacher ist als Mulden an typischen Motoren mit Direkteinspritzung. Zu Vorteilen solch einer flachen Mulde gehören: sie wirkt sich nur minimal auf das Verdichtungsverhältnis aus, trägt nur minimal zu einer vergrößerten Oberfläche des Kolbenkopfs bei und es ist nur ein einziger maschineller Bearbeitungsschritt zur Herstellung solch einer Mulde erforderlich. Die beispielhaften Abmessungen sollen hier nicht einschränkend sein. Des Weiteren ist ein kalter Kolben gemeinhin etwas unrund, so dass der erwärmte Kolben bei Ausdehnung durch Erwärmung ungefähr rund ist. Somit hat der Kolben nicht einen einzigen Durchmesserwert. Hier ist der Durchmesser ein durchschnittlicher Durchmesser des Kolbens. Zur Bereitstellung einer flachen Mulde beträgt der Durchmesser des Schneidwerkzeugs mindestens das 0,75-Fache des Kolbendurchmessers. Bei einer Ausführungsform liegt der Durchmesser des Schneidwerkzeugs im Bereich des 0,75-Fachen bis 1,0-Fachen des Kolbendurchmessers.
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1 ist ein Querschnitt eines beispielhaften Zylinders oder einer beispielhaften Brennkammer eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der die Funktionsweise einer Ausführungsform eines Systems oder Verfahrens zum Betrieb eines Motors mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der Motor 20 enthält einen Motorblock 22 mit mehreren Zylinderbohrungen 24. Die Brennkammer 30 wird durch den Zylinderkopf 28, die Zylinderbohrung 24 und den Kolben 10 definiert, wobei sich der letztere in der Zylinderbohrung 24 hin und her bewegt. Der Zylinderkopf 28 enthält verschiedene Auslasskanäle 46 und Einlasskanäle 48. Wie für den Durchschnittsfachmann auf der Hand liegt, gilt die vorliegende Offenbarung auch für Motorkonfigurationen mit zwei oder mehr Einlasskanälen und einem oder mehreren Auslasskanälen, obgleich eine Ausführungsform zwei Einlasskanäle und zwei Auslasskanäle pro Zylinder enthält (wobei in 2 jeweils nur einer gezeigt wird).
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Jede Brennkammer 30 enthält ein Einlassventil 50 für jeden Einlasskanal und ein Auslassventil 52 für jeden Auslasskanal. Das Einlassventil 50 verbindet die Brennkammer 30 gezielt mit einem zugehörigen (nicht gezeigten) Einlasskrümmer. Ebenso verbindet das Auslassventil 52 die Brennkammer 30 gezielt mit einem zugehörigen (nicht gezeigten) Auslasskrümmer. Natürlich kann/können der Einlasskrümmer und/oder der Auslasskrümmer integral im Zylinderkopf 28 ausgebildet sein oder in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung getrennte Komponenten sein. Die Einlassventile 50 und Auslassventile 52 können unter Verwendung einer beliebigen mehrerer Strategien, darunter eine herkömmliche Nockenwellenanordnung, variable Nockenwellenverstellung und/oder variable Hubanordnungen, oder zum Beispiel unter Verwendung von elektromagnetischen Ventilaktuatoren betätigt werden.
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Jede Brennkammer 30 enthält ein zugehöriges seitlich angebrachtes Kraftstoffeinspritzventil 60, das im Zylinderkopf 28 angebracht ist und sich durch einen Seitenteil der Brennkammer 30 erstreckt. Die Längsachse 72 des Kraftstoffeinspritzventils 60 ist in einem Winkel bezüglich der Zylinderlängsachse 42 in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung und Implementierung angeordnet. Im Betrieb spritzt das Kraftstoffeinspritzventil 60 als Reaktion auf ein oder mehrere entsprechende(s) Kraftstoffeinspritzsignal(e), das(die) durch die Motorsteuerung erzeugt wird (werden), Kraftstoff durch mehrere Löcher oder Strahlen im Wesentlichen gleichzeitig direkt in die Brennkammer 30, um ein gewünschtes Kraftstoffstrahlbild zu erzeugen.
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Wie weiterhin in 2 dargestellt, enthält jede Brennkammer 30 eine Zündquelle, wie zum Beispiel eine Zündkerze 62, die sich durch das Zylinderdach erstreckt. Der Kolben 10 ist für eine Hin- und Herbewegung in jeder Zylinderbohrung 24 angeordnet und ist auf herkömmliche Weise durch eine (nicht gezeigte) Verbindungsstange mit einer Kurbelwelle verbunden. Wie oben beschrieben, enthält der Kolben 10 einen kuppelförmigen Kopf mit einer darin ausgebildeten Verbrennungsmulde 14, um die Bildung einer gewünschten Luft-Kraftstoff-Gemischwolke, insbesondere bei leichtem Schichtladungsbetrieb, wie zum Beispiel bei Kaltstarts, zu erleichtern.
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Des Weiteren stellt die vorliegende Offenbarung ein Strahlbild einer Mehrloch-Einspritzventilausführung für GDI-Verbrennungsmotoren (GDI – gasoline direct injection/Benzin-Direkteinspritzung) bereit, das zur Reduzierung von Verbrennungsemissionen und zur Erhöhung des Kraftstoffwirkungsgrads des GDI-Motors optimiert ist.
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Das Strahlbild eines Sechsloch-Einspritzventils, das zur Reduzierung von Verbrennungsemission und zur Erhöhung des Kraftstoffwirkungsgrads des GDI-Motors optimiert worden ist, wird in 3 gezeigt. Ein Teil eines Zylinders wird mit Projektionen 51 der Einlassventile, Projektionen 53 der Auslassventile und einer Projektion 63 der Zündkerze in Durchsicht gezeigt. Eine Kraftstoffeinspritzventilspitze 61 wird mit sechs Strahlen 1–6 gezeigt, die von einer Wand zwischen den Einlassventilen ausgehend in die Brennkammer führen. Strahl 1 ist etwas höher ausgerichtet als die anderen Strahlen, so dass er in der isometrischen Ansicht von 3 kürzer erscheint als die anderen Strahlen. Strahlen 5 und 6 sind in die Mulde gerichtet und erscheinen in 3 länger. Kraftstoff wird jedoch gleichzeitig aus allen Öffnungen im Einspritzventil eingespritzt, und Spitzen der Kraftstoffstrahlen sind im Wesentlichen gleich weit weg von den Einspritzventilöffnungen, außer bei Aufprall auf ein Merkmal in der Brennkammer, oder wenn sie durch den Fluidstrom in der Brennkammer einen wesentlichen Aufprall erfahren.
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4 und Tabelle 1 zeigen die einzelnen Abmessungen der gezielten Sprühnebelausrichtung auf einer normal zur Einspritzventilachse verlaufenden Ebene und 50 mm stromabwärts der Einspritzventilspitze für die in
3 gezeigten Einspritzventilsprühnebel. Es sei darauf hingewiesen, dass
4 das Strahlbild stromabwärts der Einspritzventilspitze mit der perspektivischen Sicht auf die Einspritzventilspitze, ähnlich der Perspektive von
3, ist. Der Winkel α ist die Ausrichtung jedes Strahls bezüglich der negativen Y-Achse, wobei positiv im Uhrzeigersinn ist. Der außeraxiale Winkel ist der 3-D-Winkel zwischen dem Strahl und der Einspritzventilachse. Die Winkel sind für ein Einspritzventil mit einem Installationswinkel von 27,5°, gemessen von der horizontalen Ebene, oder 62,5° bezüglich einer parallel zur Zylinderbohrung verlaufenden Achse definiert. Deshalb zeigt die in Tabelle 1 ausgeführte gezielte Ausrichtung des Einspritzventils, die mit einem Installationswinkel des Einspritzventils von 27,5° erfolgte, die tatsächliche gezielte Sprühnebelausrichtung im Zylinder. Dieser Installationswinkel des Einspritzventils ist beispielhaft vorgesehen, jedoch können für andere Installationswinkel durch Einstellung des Orts der Strahlen am Einspritzventil identische gezielte Strahlausrichtungen im Zylinder erhalten werden. Die Strahlwinkel in Tabelle 1 sollten als ein Bereich betrachtet werden, der um den Wert in der Tabelle plus oder minus 5° zentriert ist. Die X-, Y- und Z-Koordinaten ändern sich dementsprechend von den Angaben in Tabelle 1 für einzelne Spritzstrahlen in dem angegebenen Bereich. Tabelle 1. Gezielte Ausrichtung der Einlassventilsprühnebelwolke
| Strahlnr. | Alpha, ° | außeraxialer Winkel ° | x, mm | y, mm | z, mm |
| 1 | 180 | 15,0 | 0 | 13,90 | –50 |
| 2 | 75,0 | 21,4 | –19,41 | –5,20 | –50 |
| 3 | 0,0 | 5,0 | 0,00 | –4,87 | –50 |
| 4 | –75,0 | 21,4 | 19,41 | –5,20 | –50 |
| 5 | 38,5 | 27,0 | –16,17 | –20,33 | –50 |
| 6 | –38,5 | 27,0 | 16,17 | –20,33 | –50 |
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Die Spritzstrahlen waren dazu ausgelegt, eine Benetzung des Ventils zu vermeiden und eine Benetzung des Liners und des Kolbens zu minimieren.
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Darüber hinaus waren die Strahlen dazu ausgelegt, mit einer flachen Kolbenmuldenausführung zusammenzuwirken, um ein stabiles Schichtgemisch um die Zündkerze herum für Kaltstartstabilität und Emissionsreduzierung zu erzeugen. Die Strahlen 1–4 sind für eine gute Vermischung bei Betrieb mit homogener Ladung vorgesehen. Die Sprühnebel der Strahlen 1 und 3 sind gezielt zwischen den Einlassventilen ausgerichtet und reichen so weit wie möglich auf der Auslassseite mit minimaler Laufbuchsenbenetzung. Die Strahlen 2 und 4 sind dazu ausgerichtet, Ventilbenetzung zu minimieren, da Ventilbenetzung eine Hauptquelle für Ruß ist. Die Strahlen 3, 5 und 6 sorgen für eine gute Verbrennungsstabilität für leichte Schichtladung bei Kaltstartbetrieb durch Gewährleistung, dass die Strahlen im Wesentlichen in der flachen Kolbenmulde aufgenommen werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass mehr gezielt auf die Kolbenmulde ausgerichtete Strahlen die Erzeugung eines stabilen und fetten Gemisches um die Zündkerze herum unterstützen, wodurch Kaltstartverbrennungsstabilität verbessert wird. Der Kompromiss besteht jedoch darin, dass sich höhere Rauchemissionen ergeben. Bei einem in der
US 7 418 940 B1 , die die gleiche Rechtsnachfolgerin wie die vorliegende Anmeldung hat und auf die hiermit in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird, beschriebenen System nach dem Stand der Technik zielen drei Strahlen auf die Kolbenmulde. Das heißt, das System in der
US 7 418 940 hat einen zusätzlichen Strahl, der zwischen den Strahlen 5 und 6 von
3 oben positioniert ist. Es hat sich herausgestellt, dass solch ein zusätzlicher Strahl, der direkt auf die Mitte der Kolbenmulde ausgerichtet ist, unverhältnismäßig für Rußemissionen verantwortlich ist. Die Strahlen 5 und 6 tragen nicht so viel zur Rußerzeugung bei, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass sie in einem Winkel gezielt in die Mulde ausgerichtet werden.
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In Tabelle 2 wird die Brennkammerfläche für eine Kolbenmulde mit ähnlichem Konzept wie die in der
US 7 418 940 gezeigten Kolbenmulde, mit der hier offenbarten Kolbenmulde verglichen. Tabelle 2. Flächenvergleich zwischen zwei Kammern.
| Kolben | Verdichtungsverhältnis | Brennkammerfläche (mm2) | % Änderung |
| US 7 418 940 B1 | 12,03 | 19517 | Grundlinie |
| Hier offenbart | 11,99 | 18867 | –3,3 |
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Es ist bekannt, dass der Kraftstoffersparnisvorteil bei einer Verringerung der Fläche um 3,3% ca. 1% beträgt, was ungefähr dem Wert entspricht, der bei einem Prüfstand-Einzylindermotor experimentell gefunden wurde, ohne Beeinträchtigung der Verbrennungsstabilität bei Kaltstart. Weiterhin zeigen die Daten, dass das optimierte Einspritzventil einen früheren Einspritzbeginn ohne Anstieg der Rauchemissionen gestattet, wodurch sich Vermischen im Vergleich zu Einspritzventilen, in denen drei der sechs Strahlen auf die Kolbenmulde gerichtet sind, deutlich verbessert.
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Obgleich die beste Durchführungsweise unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Auslegungen und Ausführungsformen im Schutzbereich der folgenden Ansprüche. Verschiedene Ausführungsformen wurden zwar hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen beschrieben, jedoch liegt für einen Fachmann auf der Hand, dass zwischen einem oder mehreren Merkmalen Kompromisse geschlossen werden können, um die gewünschten Systemmerkmale zu erreichen, was von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängig ist. Zu diesen Merkmalen gehören unter anderem: Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. Die hier beschriebenen Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder als Implementierungen des Stands der Technik gekennzeichnet werden, liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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In einer Ausführung umfasst ein erfindungsgemäßes Verbrennungssystem Folgendes:
ein Auslassventil, das im Zylinderkopf an einer weiter weg von dem Kraftstoffeinspritzventil als die Einlassventile liegenden Stelle angeordnet ist, wobei der Muldendurchmesser kleiner ist als die Hälfte des Kolbendurchmessers und die Mulde so positioniert ist, dass kein Teil der Mulde unter dem Auslassventil liegt.
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In einer Ausführung umfasst ein erfindungsgemäßes Verbrennungssystem Folgendes:
eine Zündkerze, die im Wesentlichen mittig in dem Zylinderkopf angebracht ist; und
ein Kraftstoffeinspritzventil, das am Umfang im Zylinderkopf außerhalb der beiden Einlassventile und bezüglich der Einlassventile symmetrisch angebracht ist, wobei ein Durchmesser der Mulde im Wesentlichen in einer Ebene liegt, die durch eine Spitze der Zündkerze, eine Spitze des Einspritzventils und eine mittlere Achse des Kolbens definiert wird wobei bevorzugt ein am weitesten weg von dem Kraftstoffeinspritzventil liegender Punkt an der Mulde ungefähr unter der Zündkerze positioniert ist.
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Weiter bevorzugt weist Zündkerze eine Längsachse auf und ein am weitesten weg von dem Kraftstoffeinspritzventil liegender Punkt an der Mulde ist bevorzugt innerhalb von 5 mm der Längsachse positioniert.
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Weiter bevorzugt ist ein am weitesten weg von dem Kraftstoffeinspritzventil liegender Punkt an der Mulde ungefähr unter einem Punkt am Umfang der Zündkerze, der am weitesten weg von dem Kraftstoffeinspritzventil liegt, positioniert.
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Bevorzug bildet die Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils einen Winkel mit einer mittleren Achse der Zylinderbohrung von mindestens 60 Grad.
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Bevorzugt weist das Kraftstoffeinspritzventil sechs Öffnungen auf, wobei zwei der Öffnungen zu der Kolbenmulde gerichtet und auf beiden Seiten der Ebene versetzt sind.
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Weiter bevorzugt ist das Kraftstoffeinspritzventil zwischen den beiden zur Kolbenmulde gerichteten Öffnungen abgedichtet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Mulde in einem Kolben, das Folgendes umfasst:
maschinelles Herstellen einer Mulde mit einem Kugelschneidwerkzeug zum Bilden einer kugelförmigen Vertiefung in einem Kopf des Kolbens, wobei der Kopf vor der maschinellen Bearbeitung eine Kuppel ist und eine Mitte der Kolbenmulde von einer Mitte des Kolbens um mindestens ein Viertel eines Durchmessers des Kolbens versetzt ist.
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Dabei umfasst das Verfahren bevorzugt weiterhin Folgendes:
maschinelles Herstellen des Kopfs derart, dass er Aussparungen für Einlassventile und ein Auslassventil enthält; und
maschinelles Herstellen des Kopfs derart, dass er eine Aussparung für die Zündkerze enthält.
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Dabei hat bevorzugt ein Durchmesser des Kugelschneidwerkzeugs einen Durchmesser, der das 0,75- bis 1,0-Fache des Durchmessers des Kolbens ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7418940 B1 [0028, 0029]
- US 7418940 [0028, 0029]
